Mobiles 3D-Laserscanning von Brücken über Firth of Forth

Drei Brücken über den River Forth, die Firth of Forth-Eisenbahnbrücke, die Forth-Straßenbrücke und die kurz vor der Fertigstellung stehende Queensferry Crossing im Osten Schottlands werden bald drei Jahrhunderte schottischer Ingenieurskunst, Innovation und Konstruktion repräsentieren. Renishaw wurde vom Centre for Digital Documentation and Visualisation (CDDV), einem Gemeinschaftsprojekt von Historic Scotland und dem Glasgow School of Art’s Digital Design Studio beauftragt, zwei der drei Brücken, nämlich die Firth of Forth-Eisenbahnbrücke und die Forth-Straßenbrücke, erstmals mittels mobilem Laserscanning zu erfassen.

CDDV hat das mobile Laserscannen als effizientestes und genauestes Verfahren ausgewählt, um die Brücken zu vermessen. Das Verfahren erlaubt es, ein riesiges Datenvolumen mit einem bisher noch nicht dagewesenen Detaillierungsgrad aufzunehmen. Renishaw sollte von den Brücken einen Teilbereich vermessen, so dass der Aufwand für die Datenerfassung und die Eignung der Daten für die Aufbereitung abgeschätzt werden konnten. Weil sich die mit dem 3D-Laserscannen gewonnenen Informationen auf unterschiedlichste Weise darstellen lassen, als Fly-through, Animationen, Punktwolken und Zeichnungen, erhofft man sich bei CDDV, ein digitales Archiv für zukünftige Generationen erschaffen zu können, das schwer zugängliche Orte virtuell erreichbar macht.

Das vorgeschlagene Laserscan-Projekt barg vielfältige Herausforderungen: die Notwendigkeit, die feinen Details solch komplexer Strukturen zu erfassen bedeutete, dass das Scannen vom Schiff aus stattfinden musste. Der dichte Verkehr auf der Wasserstraße und die Gezeiten begrenzten jedoch den Zugang unter der Brücke auf ein bestimmtes Zeitfenster. Dies machte eine ausgefeilte Planung erforderlich. Das Gebiet ist bekannt für seine schwache GNSS-Abdeckung, die für die Positionierung und Navigation des Scansystems wichtig ist. Dies, und das Risiko, den Brücken zu nahe zu kommen, erwiesen sich als zusätzlich erschwerende Faktoren, die Renishaw jedoch entschärfen konnte.

In der Planungsphase des Projekt verwendete das Vermessungsteam von Renishaw Gezeitentabellen, Navigationskarten und Beobachtungen der GNSS-Fenster, um den optimalen Zeitpunkt der Datenerfassung zu bestimmen. Der leitende Techniker, Jonathan Robinson, riet zum Einsatz eines Scanners mit einem Scankopf, um an diesem Tag Zeit für die Kalibrierung zu sparen, bei der Möglichkeit eines Ausfalls ist das essentiell.

Jonathan Robinson sagt: „Die Firth of Forth-Eisenbahnbrücke ist mehr als 2,5 Kilometer lang und 156 Meter hoch. Wir planten sowohl vom Fluss aus zu vermessen, um die Konstruktionsdetails vom Fuß der Brücke zu erfassen, als auch von den umliegenden Straßen, um Daten von den oberen Bereichen der Struktur und am Flussufer aufzunehmen.“

Das Team hat einen Trimble MX2-Einzelkopf-Laserscanner für das Projekt ausgewählt und diesen am Bug eines Rettungsboots der Küstenwache befestigt. Das GNSS-Trägheitsnavigationssystem an Bord übermittelte zu jedem Zeitpunkt und mit hoher Genauigkeit die Position und Orientierung des Scanners, und da jedes Modell von Haus aus kalibriert ist, verlief die Installation schnell. Das bedeutete, dass das Team soviel Zeit wie möglich der Datenerfassung widmen konnte, was sich bei diesem Projekt angesichts der Risiken durch den Schiffsverkehr, die Gezeiten und schwache Satellitensignale als besonders wichtig erwies.

Der Scanner mit einem einzigen Scankopf erfasst weniger Daten in einer gegebenen Zeit als ein Dual-Head-System, eignet sich aber wegen der seitlichen Reichweite besser für den Einsatz auf dem Wasser. Das bedeutete, dass das Boot den Fluss im Zick-Zack queren musste, um die volle Abdeckung zu gewährleisten. Boot und Scanner wurden unterhalb der beiden Brücken positioniert und weitere Scans wurden entlang der Brücken vorgenommen.

Laserscanner wie der Trimble MX2 und die Renishaw Dynascan-Serie gewinnen Daten, indem sie eine Laserstrahl auf eine Oberfläche richten. Der Laserstrahl wird von dieser Oberfläche reflektiert, gelangt von dort wieder zum Scanner zurück und bildet dort einen Daten-„Punkt“. Weil die Position und Orientierung mit hoher Genauigkeit bekannt sind, lässt sich aus der Lichtgeschwindigkeit und der Zeit, die es für die Reflexion braucht, die Entfernung ermitteln. Laserscanner können Oberflächen in bisher nicht gekannter Präzision  rasch an Millionen von Punkten vermessen. Die Punktewolken, die auf diese Weise entstehen, diesen den Digital-Experten des CDDV dazu, Modelle, Karten, oder Fly-Through-Szenarien für Entwicklung, Bildung und Denkmalschutz zu erstellen. Das Team von Renishaw benötigte nur einen Tag, um die vollständigen Scans beider Brücken abzuschließen und zudem Fotos bereitzustellen, die die digitale Modellierung und Kolorierung unterstützten. Das Postprocessing nahm drei weitere Stunden in Anspruch, so dass das CDDV in nur 36 Stunden über die Daten verfügen konnte.